无人驾驶汽车国内外研究概况

无人驾驶汽车国内外研究概况无人驾驶车辆，又称为无人车、自主车、智能车辆、室外轮式移动机器人等，涉及认知科学、人工智能、机器人技术与车辆工程等交叉学科，是各种新兴技术的综合试验床与理想载体，也是当今前沿科技的重要发展方向。它既包括理论方法与关键技术的突破，也涉及到大量的工程与试验问题，其重大研究意义不仅体现在所包含的核心科学问题上，同时又反映在其重大应用前景与战略价值上，社会关注度极高。从二十世纪的50年代起，美英德等西方国家已经开始了无人驾驶汽车的研究工作，并且在无人车的控制和商用化方面取得了一定的进展。在汽车工业非常发达的德国，各大汽车公司都资助或联合了高等院校以开发可在普通道路上行驶的无人车。目前，欧盟已经开启了一个名为CyberCars的无人车项目，以推动无人车的研究和各国间的信息共享。在二十世纪的80年代，我国部分大学开始了无人驾驶汽车的研究工作，但是虽然起步较晚且投入不足，但也取到了一定的成果。目前从事这方面研究工作的主要是国防科技大学、军事交通学院以及清华大学等科研院所。1国外无人驾驶车辆研究现状1.1美国美国于上世纪50年代开始对无人驾驶车辆进行研究，在1980年左右其技术得到高速发展。上世纪八十年代，美国陆军开始与国防高级研究计划局（DARPA）进行合作，开展了自主地面车辆（AVL）项目。1995年由卡耐基梅隆大学研制的Navlab-V智能车，完成了横穿美国东西部的无人驾驶试验。美国国防部门在上世纪九十年代末开始进行DEMO系列无人驾驶车辆的研制，总共研制出了十代DEMO无人车。从2004年开始到2007年，美国国防高级研究计划局（DARPA）举办了3次无人驾驶车辆比赛，主要为了考察在复杂环境下无人驾驶车辆的自主行驶能力。2004年3月在美国西部的莫哈维沙漠（MojaveDesert）举办了首届DARPA挑战赛——崎岖地形大挑战。共有15支队伍参赛，最终没有一支车队完成比赛，其中行驶距离最远的一支队伍是卡耐基梅隆大学的Sandstorm无人驾驶车辆。图1.1首届DARPA挑战赛中行驶距离最远的Sandstorm无人驾驶车辆第二届DARPA挑战赛——沙漠挑战赛于2005年10月还是在美国西部的莫哈维沙漠（MojaveDesert）举办共有23支队伍参赛，最终只有4队在规定时间内完成比赛，斯坦福大学的Stanley无人驾驶车辆获得了第一名。图1.2第二届DARPA挑战赛中获得第一名的Stanley无人驾驶车辆第三届DARPA挑战赛——城市挑战赛于2007年11月在洛杉矶东北维克多维尔的一个废弃空军基地举办，共89支队伍参赛，只有l1支队伍取得决赛资格，最终3辆车在无人干预下完成比赛，另外3辆车在少量人工干预下完成比赛。卡耐基梅隆大学的Boss、斯坦福大学的Junior和弗吉尼亚州大学的Odin获得这次比赛的前三名。图1.3第三届DARPA挑战赛中获得前三名的Boss、Junior和Odin无人车谷歌公司研制了七辆无人车，并于2010年对它们开展了城市实际道路测试。这些无人驾驶车辆可以进行正确的行驶，具有完备的感知能力和高水平的人工智能，无人车可以自动地识别信号灯、行人以及车辆等。谷歌公司的无人车同时还可以运用谷歌街景地图对车辆进行导航，在内华达州、佛罗里达州和加利福尼亚州已专门为无人驾驶车辆上路制定并通过了相关法律。图1.4谷歌无人驾驶车辆1.2欧洲欧洲各国的无人驾驶车辆技术在世界上也是领先水平，他们在无人驾驶车辆及其相关领域进行了很多科学研究工作，比如PROMETHEUS计划和PREVENT计划。1987年到1995年间，PROMETHEUS计划是欧洲在无人车研究领域最大的项目，其领军人ErnstDickmanns于1994年带领项目组研制的VaMP和VITA-2机器人车辆在法国的高速公路上行驶了一千多公里，能自主完成变道、超车和跟踪行驶，车辆行驶速度最高能达到每小时一百三十公里。ErnstDickmanns在1995年又重新对奔驰自主车进行了设计，进行了一千六百公里路程的行驶测试，车辆的最高行驶速度超过了每小时一百七十五公里。欧盟对PREVENT项目的总资金预算超过了五千五百万欧元，总共有五十多家单位参与进了该项目，其中包括著名的研究机构和汽车生产厂商。PREVENT项目为无人驾驶车辆研究提出了时间-碰撞时间表、虚拟安全带和智能车辆由感知、决策、执行三层架构组成这三个总体概念。意大利帕尔玛大学研制的ARGO智能车也达到了很高的水平，2010年10月，ARGO试验车只用了极少次的人工干预，从罗马出发成功抵达上海，总共行驶了一万三千多公里，历时三个多月。德国柏林自由大学研制的无人驾驶车辆MadeinGermany，从柏林勃兰登堡门出发，自主行驶到柏林国际会议中心后，又安全返回出发地，顺利通过了46个交通灯并绕过两处环岛，整个行程近20km，代表了目前无人驾驶车辆的世界最高水平。图1.5德国柏林自由大学研制的无人驾驶车辆MadeinGermany牛津大学研制的无人驾驶车辆Wildcat不使用GPS，它使用激光雷达和相机监控路面状况、交通状况、以及行人和其他障碍物，在崎岖山路上能实现自主行驶、堵车绕道；牛津大学另外研制的无人驾驶车辆RobotCarUK使用ipad处理数据、输出指令，不使用GPS，但是只能在熟悉环境下发挥作用，成本低廉，仅使用一套7750美元的立体像机和激光系统对汽车前方道路进行识别与定位，该无人驾驶车辆是为短途、常规驾驶的路途而设计的。图1.6牛津大学研制的无人驾驶车辆Wildcat和RobotCarUK2006年5月，第一届ELROB.（EuropeanLand-RobotTrial，即欧洲陆地机器人试验赛）在德国汉堡的一个军方训练场举行。该赛事的任务是在不允许密集使用GPS的前提下穿过240公里的沙漠。据德国军方介绍，法、英、葡、瑞、德5国的大学和公司组成的20只队伍参加了本次比赛。2007年9月，第二届ELROB在瑞士的Ticino举行，这次比赛的目的是考察机器人在安全以及灾难控制领域的应用，总共有来自5个国家地区的14支队伍参加了本次比赛。德国联邦武装部队于2008年6月举办了第三届ELROB，此次比赛的目的主要是考察无人驾驶机器人在短期内的作战能力，来自德国、芬兰、意大利等十个国家地区的二十多支队伍参加了本次比赛。波兰在2009年5月举办了第四届ELROB比赛，比赛目的仍然是考察机器人在灾难控制、安全等领域的应用，一共有10支队伍参加了本次比赛。第五届ELROB于2010年5月在德国汉堡举行，一共有11支队伍参加了本次比赛，此次比赛主要目的是考察机器人在军事上的应用，另外重点考察其在夜晚的表现。2011年6月，第六届ELROB比赛在比利时鲁汶举办，共有5支队伍参赛，此次比赛分为侦查与监视、往来运输、营区安全、自主导航四个场景。2012年9月，第七届ELROB比赛在瑞士图恩举办，共有11支队伍参赛，此次比赛考察白天及夜间的侦查与监视，非城区环境、乡村道路及公路上的运动与往来运输。2013年9月，在德国贝希特斯加登举办了第八届ELROB，共有14支队伍参赛，此次比赛的内容包括侦查与监视城区环境、机动处理危险材料、在烟雾弥漫的地下环境搜索和救援、使用GPS、GLONASS、GALILEO系统自主导航以及炸弹和爆炸装置的侦察和处置。20世纪初期，英国为了向旅客提供服务，己经在一些机场布置智能车辆。同时表示，在几十年内将建造专门供无人驾驶车辆行驶的道路，对于那些己经修建好的道路，则从其中划分出智能车专用行驶车道。英国学者表示，由于车辆应用了类似于主动安全这种先进的智能车辆技术，将会大大降低交通事故的发生率，并且能够使城市的道路更加畅通。图1.7奥迪无人驾驶概念车PikesPeak和西班牙无人驾驶出租车Taxisat法国的INRIA公司总共花费近9年的时间研制出了“赛卡博”（Cycab）无人驾驶车辆，这辆无人驾驶车的外形看起来像高尔夫球车。“赛卡博”采用强大的卫星定位系统与智能传感器以及人工智能技术，乘客只需要在Cycab的人机交互界面上输入目的地地址，就可以安全地到达目的地。另外，奥迪的无人驾驶概念车PikesPeak己经正式进行了山道行驶测试；无人驾驶出租车Taxisat也已经在西班牙圣塞瓦斯蒂安高调亮相。2国内无人驾驶车辆研究现状上世纪八十年代，我国开始对智能移动机器人进行研究，1980年国家立项了“遥控驾驶的防核化侦察车”项目，哈尔滨工业大学、沈阳自动化研究所和国防科技大学三家单位参与了该项目的研究制造。八五期间，由北京理工大学、国防科技大学等五家单位联合研制成功了ATB-1（AutonomousTestBed-1）无人车，这是我国第一辆能够自主行驶的测试样车，其行驶速度可以达到21公里/小时。ATB-2无人车也在九五期间顺利研制成功，与ATB-1相比，其功能得到了大大的加强，直线行驶速度最高可以达到每秒21米。2005年，第三代自主行驶车辆AutonomousTestBed-3也研制成功，ATB-3的环境认知和轨迹跟踪能力进一步得到加强。国防科技大学也代表了国内自主车辆研究的较高水平，他们成功研制了无人驾驶汽车一一红旗CA7460，它根据前方障碍车辆的情况可以自动进行车道变换，其最高行驶速度可以达到四十七米每秒；THMR-V无人车由清华大学研制成功（TsinghuaMobileRobot），它的最高行驶速度也可以达到四十二米/秒，除此之外，车辆还可以根据不同的驾驶场景选择高速公路和城区公路两种驾驶模式；由西安交大研制的Springrobot也是我国著名的无人车平台之一，其具有较高的车道线检测和行人检测能力。国家自然科学基金委员会于2008年启动了“视听觉信息的认知计算”重大研究计划项目，在其支持下，从2009年到2013年五年的时间里，连续举行了五届中国“智能车未来挑战赛”。南京理工大学、解放军军事交通学院、装甲兵工程学院、北京理工大学、武汉大学、湖南大学、西安交通大学、上海交通大学、同济大学、厦门理工学院、国防科学技术大学、清华大学、长安大学和中国科学院合肥物质科学研究院等十几家研究单位的数十辆无人驾驶车辆先后参加了该项比赛。图1.8第一届“智能车未来挑战赛”前三名车辆第一届“智能车未来挑战赛”于2009年7月在西安举行，国内外7所大学的队伍、10余辆无人驾驶智能车辆参加了比赛及车辆展示，比赛内容有：规定动作测试I为无人驾驶车辆基本行驶功能测试；规定动作测试II包含交通信号、标识和标线的识别以及障碍物规避等性能测试任务；挑战性测试为指定路线、规定动作的综合测试；特色表演为模拟城区道路及高速公路上的行驶性能测试以及参赛车辆的自由展示。最终湖南大学、北京理工大学、上海交通大学的无人驾驶车辆分获冠亚季军，如图1.8所示。2010年10月，第二届“智能车未来挑战赛”同样在西安举行，国内有10支车队参加了本次比赛，比赛分为包括曲线弯道行驶、交通标志识别和定点泊车等基本自主驾驶能力在内的“基本能力测试”和包括车辆在行驶过程中识别交通标志、正确使用灯光等车载装置以及综合控制机动车在内的“复杂环境综合测试”。最终中国科学院合肥物质科学研究院、武汉大学、南京理工大学的无人驾驶车辆分获冠亚季军，如图1.9所示。图1.9第二届“智能车未来挑战赛”前三名车辆第三届“智能车未来挑战赛”于2011年10月在鄂尔多斯举行，国内13支车队参加了比赛，比赛项目为50分钟内完成全程约11km的真实城市道路行驶，其中包括交通标识和信号灯识别、动静态障碍物、直道和弯道行驶、路口一一直行、左转、右转、U-Turn和停止线停车等内容。最终国防科学技术大学、解放军军事交通学院、中国科学院合肥物质科学研究院的无人驾驶车辆分获冠亚季军，如图1.10所示。图1.10第三届“智能车未来挑战赛”前三名车辆第四届“智能车未来挑战赛”于2012年11月在内蒙古赤峰举行，国内9支车队参加了比赛，比赛内容为：城区赛段，要求50min内完成约7km的真实城市道路行驶；乡村赛段，要求60min内完成约16km的真实乡村道路行驶。最终解放军军